一种太阳光自动跟踪系统设计的制作方法

本发明属于电学基本电器元件领域，具体涉及一种太阳光自动跟踪系统设计。

背景技术：

在经济快速发展的21世纪，煤、石油、天然气等不可再生化石能源正在急剧减少，同时这些燃料的使用对环境的影响也不容小觑，甚至影响到了我们的生活，带来一系列环境问题，能源不足以及环境问题严重制约着人类社会的发展。因此人们迫切需要一种新的能源来代替传统的化石能源。人们逐渐把目光对准太阳能，目前太阳能利用领域十分广泛，常见的有太阳能路灯、太阳能热水器、太阳能光伏发电、太阳能建筑等等。可见，太阳能有可能代替传统的化石能量，成为新一代的清洁安全能源。一旦太阳能的利用能够满足大量、廉价、清洁等要求，很有可能成为今后的新能源，带来第三次工业革命。于此同时，由于光照强度和光照方向随时间不断改变的特点，提高太阳光的接收率成了太阳能发电的一个必然方向。为此，本设计对于提高发电效率有着很重要的意义。

我国属太阳能资源丰富的国家之一。我国特别指出“要因地制宜的的推广和开发太阳能、风能、火能、生物质能、潮汐能等清洁能源”。经过计算分析，太阳还可以稳定持续燃烧十亿年，因此可认为太阳能是无尽的。对太阳最广泛的利用要数太阳能光伏发电，直接将太阳能转化成电能的形式储存起来，使其能更好的应用到各个工业领域。

太阳能的利用有它的缺点。首先是能流密度较低，光照较好时，能流密度仅为1w/m2。若要大面积采光，只能通过大面积地装置电池板，从而使占地面积增大，成本增加。其次，受天气影响较大，阴雨天或是多云时会大大减少设备的发电量，给太阳能电池的推广与普及带来不少困难。此外，太阳能的利用随时间变化差异大。夜晚、多云等天气无法工作或无法高效工作，即使在晴朗的白天，太阳也会随时间不断改变方向，电池板需要像向日葵般进行跟踪。

太阳能发电主要包括光热发电和光伏发电。比较常见的电池板都属于太阳能光伏发电。光伏发电的原理是光生伏特效应，核心单元是太阳能电池。太阳能电池的发展带动着光伏产业的发展。

2012年5月26日，德国光伏电站峰值功率达到22gw，达到了全国正午用电负荷的一半，这一数据表示光伏发电占据了全国很大的比例。截至2011年，我国国内的光伏发电累计装机3.3gw，远远小于德国，在这些累计装机中，有75%都是西部荒漠电站，分布式的用户端只占到四分之一，而且这四分之一基本上没能实现并网运行。德国的案例可以说明，城市对于太阳能光伏发电仍有巨大潜力。

对于太阳能跟踪系统的研究，我国于1997年研制除了单轴的太阳跟踪器，实现了东西方向的跟踪，但是南北方向任然要通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州研制了atm双轴跟踪器，并且在太阳能面板上安装了可以集中阳光的透镜，使效率进一步提高。在2002年，美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置结构紧凑，采用铝材框架结构，重量轻，拓宽了太阳光自动跟踪器的应用领域。

太阳能是被世界各地广泛且免费使用的，但它不是一个连续的能量来源。太阳能发电将太阳能转化为电能，光作为一种可再生的发电资源被广泛接受。广泛建立的光伏发电可分为单机发电、并网发电和混合发电。不同的系统由不同形式的光伏发电单元组成，如电池、模块、阵列。无论哪一种，当太阳定向垂直于光伏面板时，光伏发电机的工作最有效率。使用太阳光自动跟踪器的光伏面板使安装和运营成本大幅上升，但在系统中的反馈结果却是增加效益。实验指出，在一个固定的太阳能发电系统，单轴的太阳光跟踪系统的使用可以增加20%的能量输出，同时增加10%成本，双轴的太阳光自动跟踪系统可以增加40%的能量输出，同时增加30%成本。综合来讲，提高光电转换效率是一件很有意义的事情。

为了获得最大的光伏系统的能量输出，太阳跟踪器应该将光伏板时刻朝向太阳，以补偿变化的太阳高度角和方位角。还有一些应该考虑的方面，如确定包括太阳能光伏技术跟踪器的使用，太阳直接辐射量。在实际的使用中，太阳跟踪器不可能时刻跟踪太阳的轨迹，事实上，偏离目标10°只造成1.5%的能量减少。

太阳光自动追踪系统基本上分为单轴和双轴的。单轴跟踪可以跟踪太阳的垂直或水平轴。单轴太阳能跟踪有一个驱动器，因此比双轴太阳跟踪器控制简单。如有少量的控制变量，它更容易为下面的太阳的轨迹编写控制算法。双轴太阳跟踪器在垂直和水平轴的轨迹跟踪世界任何地方太阳的可见运动。双轴太阳跟踪器更准确的指出太阳位置。但是因为有两个驱动器需要被控制，控制变量的数量增加，导致了在软件和硬件方面一个更加复杂的系统。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种太阳光自动跟踪系统设计，通过对太阳光进行有效追踪，进而实现提高光电转换效率的目的。硬件电路简单而模块化，软件程序结构明朗有较好的人机交互力。

整个系统由主控电路单片机模块、太阳跟踪传感模块、a/d转换模块、太阳跟踪机械驱动模块构成。各模块之间连接关系为入射光照射到太阳跟踪传感模块光敏电阻上，通过高低电平的不同向a/d转换模块输出模拟信号，并通过转换器进行数模转换；主控电路单片机模块接收数字信号后，经过单片机分析处理后传输到步进电机的驱动，以此控制两台步进电机的转向和旋转的角度，以完成对太阳光的追踪。

所述主控电路单片机模块的核心芯片采用stc89c51单片机，具有加密性强、低功耗、抗干扰、低成本、可靠性高和速度快的特点，目的是来进行信号的处理与控制。

所述太阳跟踪传感模块采用型号为t5516的光敏电阻，亮电阻为5—10kω,暗电阻为0.2mω，利用其随着光强的增强阻值减弱的特性，进行光强的测量，通过电阻最不同光强所表现出阻值的变化，输出不同的模拟信号。

所述a/d转换模块采用由tlc549芯片构成的cmosa/d转换器，其通用控制逻辑，可自动或在微处理器控制下工作，具有差分高阻抗基准电压输入端，易于实现比率转换、定标以及与逻辑和电源噪声隔离的电路。

所述太阳跟踪机械驱动模块采用步进电机作为驱动，本设计的驱动采用高耐压、大电流的达林顿阵列——uln2003，由7硅npn达林顿管组成，具有工作电压高，工作电流大，输出还可以再高负载电流并行运行等特点。

主程序设计思路为首先判断此时是否需要进行跟踪，因此可以避免在夜晚进行不必要的跟踪，节约电量。进行跟踪时首先对单片机进行初始化，然后判断此时的光照强度是否可以进行光电跟踪。这样就大大增加了该自动跟踪系统的适用场合，即在光照强度不足的情况下仍然可以使用。采用单片机而不是其它模拟电路的好处是可以在芯片内进行计算，根据时间与地理位置求出电机的方位角与高度角。在进行光电跟踪时，首先扫描光敏传感模块，再将采集到的电压信息经由a/d转换，据此求出光源位置，最后控制两台步进电机进行正转或反转。

附图说明

图1是本发明的光电跟踪设计框图。

图2是本发明的太阳光自动跟踪系统主程序流程图。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种太阳光自动跟踪系统设计，包括以下模块：光敏电阻模块、A/D 转换模块（采用 TLC549 芯片）、主控芯片模块（采用单片机 STC90C51）、步进电机模块等。太阳能的利用存在着光照方向和光照强度随时间变化等问题，本发明针对这些问题提出了一种以单片机为核心，由光敏电阻检测与比较，用双轴机械跟踪定位使电池板与太阳光垂直的自动跟踪系统的设计方案。该设计结构简单、模块化、成本低，而且能自动检测光强，不用人工干预，适合天气变化复杂和无人看守的情况，易于功能拓展，能更好地实现自动跟踪效果，有较好的推广和利用价值。

技术研发人员：李林泽;杨玉瑾;王增平
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2017.03.15
技术公布日：2017.07.11